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Quelle: BAM, Fachbereich Glas
Bioaktive Gläser sind in ihrer chemischen Zusammensetzung dem natürlichen Knochen ähnlich und können als Knochenersatzmaterial eingesetzt werden. In Kontakt mit wässrigen Lösungen, wie beispielsweise Körperflüssigkeit, geben bioaktive Gläser Ionen ab und lösen sich im Zuge der Neubildung von natürlichem Knochen rückstandlos auf. Für das Erzeugen komplexer Formkörpern ist zudem eine gute Prozessierbarkeit der Gläser notwendig. Diese kann durch eine zu hohe Kristallisationsneigung oder ein ungewolltes Aufblähen beim Sintern beeinträchtigt werden. Entgegen dem gezielt gewollten Aufschäumen zur Herstellung hochporöser Strukturen, beispielsweise für Dämmstoffe, wurde das ungewünschte Aufschäumen oder -blähen sowie dessen Ursachen auch an anderen Gläsern bislang nur selten näher betrachtet.
Der vorliegende Artikel berichtet über mögliche Ursachen und Einflussfaktoren dieses Effekts am Beispiel zweier bioaktiver Gläser unterschiedlich starker Kristallisationsneigung, wobei das Glas F3 (44,8SiO2-2,5P2O3-36,5CaO-6,6Na2O-6,6K2O-3,0CaF2) eine hohe und das Glas 13-93 (54,6SiO2-1,7P2O3-22,1CaO-6,0Na2O-7,9K2O-7,7MgO) eine geringe Kristallisationsneigung haben. Beide Gläser wurden erschmolzen, gefrittet und zu Pulver verarbeitet, wobei die Mahlung in CO2-Atmosphäre oder in Isopropanol stattfand. Ausgangsgläser und Pulverpresslinge wurden dann mittels Erhitzungs- und Elektronenmikroskopie, Differenzthermoanalyse, FTIR-Spektroskopie, Vakuumheißextraktion und ToF-SIMS untersucht.
In Übereinstimmung mit analogen Studien an anderen Gläsern, wurden Kohlenstoffspezies als Ursache für das auftretende Aufblähen gefunden. Die Pulverherstellung durch Mahlen in CO2-Atmosphäre führte zur Bildung von Carbonaten; das Mahlen in Isopropanol führte zusätzlich zu reduziertem Kohlenstoff. Beide Spezies erwiesen sich als ausreichend temperaturstabil, um beim Sintern im Volumen der Formkörper eingeschlossen zu werden und so bei höher Temperatur durch Zerfall bzw. Oxidation ein Aufblähen auszulösen. Die Intensität des Aufblähens war für die Mahlung in CO2 deutlich ausgeprägter und korrelierte mit der Mahldauer. Das Mahlen in Isopropanol führte allerdings zu einer deutlichen Schwarzfärbung der Sinterkörper. Im Zuge des Aufblähens und Entgasens kam es wieder zu einer Entfärbung. Die Kristallisation des Glases F3 verzögerte das Aufblähen durch Erhöhung der effektiven Viskosität bis zum Aufschmelzen der Kristallphase(n).
Sintering and foaming of bioactive glasses
Carsten Blaeß, Ralf Müller
veröffentlicht in Journal of American Ceramic Society, Seite 1-11, 2022
BAM Fachbereich Glas